船舶临时应急电源的技改升级

王达吉

(中石化海洋石油工程有限公司，上海 200001)

0 引言

临时应急电源是船舶电源系统的一个组成部分，在保护人命和船舶安全方面发挥着重要作用，因此有关船舶建造规范对其提出了要求。《钢质海船入级规范》要求除设有应急发电机能自动向应急配电板供电的货船外，各类船舶即使有应急发电机时，还应设置一蓄电池组作为临时应急电源。同时，船舶建造规范规定“当主电源或应急电源的供电失效时，临时应急电源应能立即自动向所规定的各项设备供电，且应能在整个供电期间保持其电压变化在额定电压的±12%以内而不必再充电”。

当船舶处于紧急状态时，由临时应急电源(或备用电源与不间断电源)供电的各项设备，可视为船舶特种用电设备。近年来，随着人工智能等技术的发展以及物联网、大数据的应用，船舶通讯导航系统、机舱控制系统、信息管理系统及重要设备，通过网络互联互通，使船舶特种用电设备大幅增加，这对临时应急电源的安全可靠性提出了新要求。

1 临时应急电源的重要性

临时应急电源供电范围通常如下：

《国际海上人命安全公约》(SOLAS公约)、《国际海上避碰规则》对临时应急电源作出了规定；船舶建造规范要求自动化水平较高的船舶的安全系统、报警系统以及正常供电失电时仍有必要使用的控制系统，应能在正常供电失电时自动转接到备用电源。该备用电源可以采用蓄电池组，其容量应至少能维持 30 min 供电的需要。若上述系统可能因电源的中断而受到有害影响时，则应采用不中断的方式转换到备用电源。

上述供电范围主要是针对海上人命与船舶安全。随着船舶现代控制技术的发展，临时应急电源已突破了原有的供电范围。

正在兴起的智能化船舶，是以计算机技术、通信导航技术、先进传感器技术、先进控制技术、互联网技术与物联网等现代控制技术为支撑建立的智能航行、智能船体、智能机舱、智能能效管理、智能货物管理和智能集成平台，所有这些技术与平台的正常运行，都必须有可靠的电源供电作为保障。在船舶失电或瘫船状态下，尤其是应急发电机组也失效时，临时应急电源的重要性更加显现。

在设置向船舶特种设备供电的电源时，应遵循SOLAS公约和船舶规范的相关规定，结合船舶智能化系统对保持连续供电需要，采用新能源、新技术，确保在主电源和应急电源断电后，临时应急电源应能立即自动向船舶特种用电设备可靠供电。

2 公共直流配电网的技改方案

当前，各类船舶的少数特种设备直流电源来自于专门配置的备用电源；大多数特种设备的直流电源来自于充放电板，即由蓄电池组供电的船舶公共直流配电网。

长期以来，充放电板采用铅酸蓄电池提供电源，其容量按满足该船特种设备功率需要配置；充放电板上装有充电器，能将蓄电池组从完全放电状态开始在不超过10 h的时间内充至额定容量；充放电板的交流电源分别从主配电板和应急配电板直接供电，充放电板的监控保护都比较简单。当船舶交流电网失电时，充放电板自动向必须继续维持工作的特种用电设备供电。在此基础上，采用新设备、新技术对公共直流配电系统进行技术改造升级，是发展趋势。

近年来，电化学蓄电池有了快速的发展，锂离子电池已进入工业领域大规模实用阶段。在现有的电化学蓄电池中，锂离子电池能量密度和功率密度最高，循环寿命、充电速度、自放电率、温度适应性等方面的性能都明显优于铅酸蓄电池。锂离子电池属于一种新型的动力电池，按正极材料不同可分为多种类别，其中磷酸铁锂电池应用较广泛，用来取代铅酸蓄电池，是临时应急电源的理想选择。

船舶建造规范制定了磷酸铁锂电池在船舶布置与安装、控制与保护等方面规则，要求配备电池管理系统(BMS)和蓄电池的保护及充放电装置组合使用，并由BMS进行管理与控制。BMS的功能要求见表1。表中，√表示BMS具有该功能。

表1 BMS功能要求一览表

可提高电源容量和能效，采用锂离子电池取代铅酸蓄电池，可减小体积与重量，增加循环寿命，有利于环境保护；由BMS对蓄电池系统进行在线监测与控制保护，进一步提高了临时应急电源的可靠性。

3 不间断电源的现状

船舶建造规范允许由不间断电源(UPS)用作替代电源或临时电源，以满足供电的连续性。UPS主要由蓄电池、充电器、逆变器、静态开关及控制电路所组成，其中蓄电池是重要组成部分，在UPS中占有很大的价值比重。蓄电池储存能量的大小，决定了UPS的供电容量与持续时间。当UPS容量较大、供电时间较长时，内置电池的容量与充电装置需相应加大，这将增大UPS的体积。

在实践中，UPS的内置电池往往被忽视。当较长时间后需要用UPS供电时，内置电池容量已与时俱减，远远达不到预期的供电效果；为防止充放电所造成的污染，船舶的非专门舱室不允许装设大容量的蓄电池；有些处所因位置有限，不具备安装大容量UPS的条件。

4 取代UPS的直流电源装置

4.1 直流电源装置概况

船舶的智能自动化程度越来越高，各系统的特种设备越多，功率越大，且十分依赖于供电的连续性，如果在工作中途发生短暂断电，将可能造成严重后果。当不适合采用UPS的情况下，为确保特种设备所需直流电源的供电连续性，可采用一种直流电源装置取代UPS，其框图如图1所示。

图1 直流电源装置框图

图1中的两路交流电源分别由主配电板和应急配电板供电，互为备用。当电源1、电源2均失效时，自动切换到由充放电板供电。该直流电源装置实际上是无内置蓄电池的UPS，原理如图2所示。

4.2 元器件的选配

⑴ 三相整流变压器1T的接线组别为△/Y，初级侧额定电压U1和船电主电源额定电压相同，次级侧额定线电压U2按式(1)计算：

U2=UdiK1

(1)

式中：Udi为三相整流器1VC的直流空载电压；K1为1VC的阀侧电压变换系数，其理论值为0.74。

1T的额定容量按式(2)计算：

SN=1.05UNIN

(2)

式中：UN为负载额定直流电压；IN为负载额定直流电流。

⑵ 单相整流变压器2T的初级侧额定电压U11和船电主电源额定电压相同，次级侧额定电压U21可按式(3)计算：

1F～10F—熔断器；1KM、2KM、11KM、12KM—交流接触器；FR、1FR—热继电器；1H～3H、11H～13H—指示灯；RC、1RC—阻容保护装置；

U21=Udi1K2

(3)

式中：Udi1为单相整流器2VC的直流空载电压；K2为2VC的阀侧电压变换系数，其理论值为1.11。

2T的额定容量SN1可按式(4)计算：

SN1=1.23UN1IN1

(4)

式中：UN1为负载额定直流电压；IN1为负载额定直流电流。

⑶ 交流接触器1KM(11KM)、2KM(12KM)的额定电压及线圈电压和电源额定电压相同，其额定电流大于或等于整流变压器初级侧额定电流选配。

⑷ 热继电器FR(1FR)的整定值可按整流变压器初级侧额定电流I1(I11)进行设定。

⑸ 三相整流桥模块1VC的臂电流方均根理论值为0.58IN，其反向工作峰值电压理论值为直流输出额定电压Udn的1.05倍。

⑹ 单相整流桥模块2VC的臂电流方均根理论值为0.785IN1，其反向工作峰值电压理论值为1.57Udn1。

⑺ 直流装置的二极管1V、2V的电流方均根理论值为IN(IN1)，其反向工作峰值电压理论值为1.05Udn(Udi1)。

⑻ 熔断器1F～6F(11F～14F)的额定电流IA≥2I1(I11)，其熔芯电流IB≥1.4I1(I11)。

⑼ 熔断器7F～10F(15F～18F)的额定电流IC≥2IN(IN1)，其熔芯电流ID≥1.2IN(IN1)。

⑽ 指示灯1H(11H)、2H(12H)、3H(13H)的电压与相应位置的电源电压相同。

⑾ 整流器交流侧用以抑制操作过电压的阻容保护电路RC(1RC)中的线绕电阻通常为5 W、30 Ω，交流电容器的额定电压应按不小于2.5U2(2.5U21)选取,电容量通常为6～10 uf。

⑿ 整流器直流侧滤波电路的参数，应按对直流输出纹波的要求及直流输出电压与负载额定电流选配；限流电阻器Rz(Rz1)通常选用金属膜或被釉线绕电阻，功率一般大于5 W，阻值大于5 Ω；滤波电容器Cz(Cz1)的电容通常选用电解电容器或钽电容，额定电压UA≥3Udn(Udn1)，电容量一般大于10 uf。

4.3 元器件的参数调整

在实际应用中，对上述各理论值需作适当调整。选择元器件及计算参数时，应考虑电网的电压波动，并顾及到电压降、损耗等因素，可作如下调整：

⑴ 整流变压器1T的U2、2T的U21按上述理论值公式求出后，应再增加1.05～1.07倍；1T的额定容量SN≥1.25PN，2T的额定容量SN1≥1.4PN1，其中：三相直流负载功率PN=UNIN，单相直流负载功率PN1=UN1IN1。

⑵ 整流桥模块与二极管的选配需要考虑到直流负载功率PN或PN1，以及负载要求过载的倍数或工作制、环境温度、冷却方式、需要的可靠性程度等因素，1VC、2VC的臂电流方均根值可按不小于IN(IN1)选取。

⑶如果对直流输出纹波的限制有较高的要求，滤波电容器的电容量宜加大；为了保证电容器有足够大的放电时间常数，直流负载电流越大，滤波电容器选取得也越大。

4.4 开关电源的应用

图1中的电压变换装置和整流器可采用开关电源取代，通过高频化实现装置小型化，框图见图3。

图3 采用开关电源的直流电源装置框图

利用电力电子技术和微电子技术发展起来的开关电源，与线性稳压电源相比，具有效率高、体积小和重量轻等特点，将其应用在直流装置中，具体优点如下：

(1)工作频率高频化(可大于10 MHz)，不仅可进一步缩小体积、减轻重量，而且可改善电源的瞬态响应。

(2) 控制电路集成化，例如采用PWM控制芯片，辅以极少的分立元件构成闭环控制电路，使比较复杂的电路变得十分简单，而且可增加保护等功能，提高可靠性。

(3) 采用CAA和CAD技术设计最新变换拓补和最佳参数，使开关电源具有最简结构和最佳工况，可引入微机检测和控制，构成多功能的监控系统，对异常情况自动报警、显示与记录。

4.5 直流电源无缝切换

主电源与应急电源的发电机都具备自动调压装置，在正常情况下电压能保持在额定值；船舶充放电板上的充电装置具备自动调压功能，当蓄电池充足电之后处在恒压充电阶段时，其电压基本上为蓄电池组的额定电压，但向直流负载供电的线路末端，由于电压降的存在，电压值会低于充放电板的额定输出电压值。

由于在直流电源装置的整流器直流输出侧设有滤波电路，使其直流空载电压U≥1.4U2(U21)，更高于来自充放电板的直流电压。直流电源装置整流器输出的直流电源经1V(11V)与来自充放电板的直流电流源经2V(12V)共负极，在主电源或应急电源供电时，1V(11V)的阴极电位势必高于2V(12V)的阴极电位，尤其是在空载时，1V(11V)的阴极电位会远远高于2V(12V)的阴极电位，此时1V(11V)导通、2V(12V)截止；在主电源与应急电源切换的过程中，或当主电源和应急电源都失电以及输出的直流电压过低时，使2V(12V)的阴极电位高于1V(11V)的阴极电位，此时2V(12V)导通、1V(11V)截止。因此，三路电源的直流侧可实现无缝切换。

5 结语

临时直流应急电源关系到海上人命和船舶安全，现代化船舶对连续供电的要求很高，应当像重视主电源和应急电源那样重视临时直流应急电源；性能优越的锂离子电池已逐渐呈现出取代铅酸电池的趋势，BMS系统对电池系统的管理可使电池性能最大化，促成了公共直流配电网的换代升级；为克服UPS内置蓄电池在实际使用中的缺陷，采用了一种无内置蓄电池的直流电源装置取代UPS，可提高对船舶特种设备不间断供电的安全可靠性。